Les génomes des bactéries sont généralement composés d’un chromosome unique et d’un ou plusieurs éléments extra-chromosomiques tels que les plasmides. L’initiation de la réplication du chromosome bactérien doit être rigoureusement contrôlée afin que la duplication du chromosome ait lieu une fois par cycle cellulaire. La bactérie pathogène responsable des épidémies de choléra, Vibrio cholerae, a la singularité de posséder deux chromosomes. Les équipes de Didier Mazel et de Romain Koszul à l’Institut Pasteur, en collaboration avec Ole Skovgaard à l’Université de Roskilde (Danemark), dévoilent un contrôle original et économique au plan énergétique, le replication checkpoint, permettant de coordonner la réplication des deux chromosomes avec le cycle cellulaire de V. cholerae. Ces travaux sont publiés dans la revue Science Advances.
Chez les bactéries, la réplication du chromosome doit avoir lieu une fois par cycle cellulaire de sorte que le nombre de chromosomes dans la cellule reste constant. Cette coordination a lieu à l’étape de l’initiation de la réplication, pendant laquelle de multiples mécanismes participent au contrôle de la disponibilité et de l'activité de DnaA, le facteur d’initiation de la réplication, universel chez les procaryotes. Le contrôle de la coordination de la réplication des plasmides avec le cycle cellulaire est généralement plus relâché.
Le génome de Vibrio cholerae est constitué de 2 chromosomes circulaires de 3 Mpb (Chr1) et 1 Mpb (Chr2) possédant chacun une origine unique d’initiation de la réplication (Val et al., 2014). De nombreuses observations laissent penser que le Chr2 était auparavant un méga-plasmide qui aurait été domestiqué par un ancêtre commun des Vibrio pour devenir un véritable chromosome. L’origine de réplication du Chr1 (ori1) ressemble à celle des chromosomes des autres bactéries, tandis que l’origine du Chr2 (ori2) est apparentée à celle des plasmides à itérons. La réplication des deux chromosomes utilise deux facteurs d’initiation distincts : DnaA initie la réplication du Chr1 et un facteur spécifique des Vibrio, RctB, contrôle l’initiation de la réplication du Chr2. Malgré ses lointaines origines plasmidiques, la réplication du Chr2 a lieu strictement une fois par cycle cellulaire et elle est initiée à un moment précis du cycle cellulaire de manière à ce que la terminaison de la réplication des deux chromosomes soit synchrone (Rasmussen et al., 2007). Les équipes de Didier Mazel (Institut Pasteur/CNRS UMR3525), Ole Skovgaard (Université de Roskilde, Danemark) et Romain Koszul (Institut Pasteur/CNRS UMR3525), se sont intéressées au contrôle de la coordination de la réplication des deux chromosomes de V. cholerae et plus particulièrement au mécanisme qui régit le moment propice à l’initiation du Chr2 pendant le cycle cellulaire. Les chercheurs ont découvert que la réplication du Chr2 est dépendante de la réplication du Chr1. Grâce à de larges réarrangements génomiques, ils se sont aperçus que la distance entre ori1 et un site de fixation de RctB situé sur le Chr1 (Baek and Chattoraj, 2014) influençait le moment précis d’initiation de la réplication du Chr2. Ce site de 150bp, renommé ‘crtS’ (Chr2 replication triggering site), est situé dans une région intergénique non codante sur le bras droit du Chr1, à mi-distance entre l’origine et le terminus de réplication. Les chercheurs ont montré que la duplication de crtS lors de la réplication du Chr1 déclenche l’initiation du Chr2. La présence de crtS est cruciale pour le maintien de l’intégrité du génome de V. cholerae puisque sa délétion provoque la perte du Chr2, engendrant des anomalies du cycle cellulaire.
Le contrôle du timing d’initiation de la réplication du Chr2 assuré par crtS/RctB offre un mécanisme à la fois simple, flexible et peu coûteux énergétiquement, pour assurer le couplage de la réplication des deux chromosomes en temps voulu, en tirant bénéfice des systèmes de régulation sophistiqués, et déjà parfaitement intégrés au cycle cellulaire, contrôlant l’initiation du chromosome primaire. crtS est conservé chez toutes les espèces bactériennes du genre Vibrio, démontrant ainsi l’importance évolutive de ce mécanisme pour la réplication des deux chromosomes chez ces bactéries. Cette découverte ouvre de nombreuses perspectives pour déchiffrer les processus complexes qui gouvernent le cycle cellulaire bactérien, mais aussi pour mieux comprendre les mécanismes évolutifs qui permettent de domestiquer les plasmides pour en faire les chromosomes secondaires présents chez environ 10% des espèces bactériennes.
La délétion du site crtS provoque la perte du Chomosome 2 et la filamentation des cellules. Les sites d’origine de la réplication des chromosomes 1 et 2 sont visualisés par un marquage fluorescent vert (ori1) ou rouge (ori 2). © Marie-Eve Val
Source
A checkpoint control orchestrates the replication of the two chromosomes of Vibrio cholerae, Science Advances, 22 avril 2016
Marie-Eve Val1,2, Martial Marbouty2,3, Francisco de Lemos Martins1,2, Sean P. Kennedy4, Harry Kemble1,2, Michael J. Bland1,2, Christophe Possoz5, Romain Koszul2,3, Ole Skovgaard6 and Didier Mazel1,2
1. Bacterial Genome Plasticity, Department of Genomes and Genetics, Institut Pasteur, Paris 75015, France.
2. CNRS UMR 3525, Paris 75015, France.
3. Spatial Regulation of Genomes, Department of Genomes and Genetics, Institut Pasteur, Paris 75015, France.
4. Biomics Pole, CITECH, Institut Pasteur, Paris 75015, France.
5. Department of Genome Biology, Institute of Integrative Biology of the Cell (I2BC), Paris-Sud University, CEA, CNRS, Gif-sur-Yvette 91190, France.
6. Department of Science, Systems and Models, Roskilde University, Roskilde DK-4000, Denmark.
Mis à jour le 28/04/2016
